Phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhânBách khoa toàn thư mở Wikipedia Bắn phá hạt nhân 6 Li Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đấy xảy ra tương tác mạnh của hạt nhân với một hạt nhân khác hoặc

Phản ứng hạt nhân

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bắn phá hạt nhân 6 Li

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đấy xảy ra tương tác mạnh của hạt nhân với một hạt nhân khác hoặc với một nucleon ở khoảng cách nhỏ khoảng fm, qua quá trình này hạt nhân nguyên tử thay đổi trạng thái ban đầu (thành phần, năng lượng ) hoặc tạo ra hạt nhân mới hay các hạt mới và giải phóng ra năng lượng Chính nhờ các phản ứng hạt nhân

mà con người ngày càng hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất muôn hình muôn vẻ.

Ví dụ: bắn phá hạt nhân nguyên tử liti 6 Li bằng hạt hydro 2 H được 2 nguyên

tử heli 4 He và giải phóng 22,4 MeV

6 Li + 2 H → 2 4 He + 22,4 MeV

Lượng năng lượng giải phóng được tính theo định luật bảo toàn năng lượng -khối lượng, phương trình: E = m.c 2 :

mLi = 6,015 u, mHe = 4,0026 u và mH = 2,014 u

chênh lệch khối lượng Δm = mLi + mH - 2.mHe = 0,0238 u

→ năng lượng giải phóng = năng lượng chênh lệch ΔE = Δm.c 2 = 22,4 MeV

[sửa]Phân loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng phân hạch

Phản ứng hợp hạch

Tổng hợp neutron

Tổng hợp proton

[sửa]Ứng dụng

Phản ứng hạt nhân được ứng dụng trong sản xuất điện năng (các nhà máy điện nguyên tử), trong y học (chụp X-Quang) hay trong hóa học (tạo ra các nguyên tố nhân tạo),

Phản ứng phân hạch hạt nhân

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

(đổi hướng từ Phản ứng phân hạch )

Hình ảnh sự phân rã hạt nhân Một neutron di chuyển chậm bị hấp thu bởi hạt nhân của nguyên tử uranium-235, phân chia thành các hạt ánh sáng di chuyển nhanh (sản phẩm phân rã) và các neutron tự do.

Phản ứng phân hạch hạt nhân – còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử - là một quá trình vật lý hạt nhân và hoá học hạt nhân mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt neutron, photon tồn tại dưới dạng các tia gamma, tia beta và tia alpha Sự phân hạch của các nguyên tố nặng

là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng

kể dưới dạng tia gama và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch).

Năng lượng do phản ứng phân hạch hạt nhân sản sinh ra dùng trong nhà máy điện hạt nhân và vũ khí hạt nhân Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có

thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân.

Lượng năng lượng tự do chứa trong nhiên liệu hạt nhân lớn gấp hàng triệu lần lượng năng lượng tự do có trong một khối lượng nhiên liệu hoá học tương đương như là dầu hoả, làm cho năng lượng hạt nhân trở thành một nguồn năng lượng rất hấp dẫn, tuy nhiên, các chất thải hạt nhânthì có mức phóng xạ rất cao và tồn tại rất lâu, hàng thiên niên kỷ Đi kèm với chất lượng rất hấp dẫn trên của các nguồn năng lượng hạt nhân là sự tích tụ chất thải hạt nhân và nguy cơ huỷ diệt rộng lớn của nó hiện là vấn đề chính trị gây nhiều tranh cãi về vũ khí hạt nhân.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Phản ứng tổng hợp hạt nhân D-T xem là nguồn năng lượng tiềm tàng.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng hợp hạch, trong vật lý học, là quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia Nhân sắt vànickel có năng lượng kết nối nhân lớn hơn tất cả các nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác Sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thụ năng lượng.

Phản ứng hợp hạch là một trong hai loại phản ứng hạt nhân Loại kia

là phản ứng phân hạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi sao và làm cho bom hydro nổ Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nhân nặng thì xảy ra trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh) Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sao và các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.

Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là đồng

vị deuterium ,tritium của Hydrogen Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên

tử Hydrogen.

Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro Điều đó được giải thích là do các quá trình của phản ứng đều khó thực hiện: bước 1 cần phải nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma Sau đó cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb giữa chúng mà va vào nhau Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ

C Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 neutron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng

lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng có thể tạo ra phản ứng tự duy trì(Tuy nhiên,

từ hạt nhân sắt trở đi, việc tổng hợp hạt nhân trở nên thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt) Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra Chính vì lý do này

mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn 1 phần triệu của 17 MeV giải phóng từ phản ứng D-T (deuterium-tritium, các đồng

vị của Hiđrô).

[sửa]Ứng dụng

Hiện nay, nghiên cứu về tính khả thi của phương pháp tổng hợp hạt nhân như một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện với hi vọng khống chế được tốc độ cũng như lượng nhiệt của phản ứng Với các vật liệu được biết đến ngày nay thì không có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao của phản ứng - do đó, hiện tại phản ứng nhiệt hạch được thực hiện một cách không khống chế nên gây lãng phí năng lượng Một số nghiên cứu

hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt nhân,

ép chúng ở nhiệt độ rất cao để gây ra phản ứng, thay vì sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ khối uranium phân hạch như phương pháp truyền thống Ngoài ra, người ta cũng có thể dùng từ trường ngoài khống chế các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm vào thành bình chứa chúng, giữ cho phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn kém và hiệu suất cao.

Nếu việc ứng dụng công nghệ năng lượng này trở thành hiện thực, nó sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng cho con người Các đặc tính ưu việt như: mật độ năng lượng rất cao (lớn hơn hàng tỷ lần mật độ năng lượng của các nhiên liệu hóa thạch, hơn hàng chục lần mật độ năng lượng của nhiên liệu phân hạch), hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường (nếu nhiên liệu là các đồng vị H như D, T thì sản phẩm thải là heli, khí hiếm hoàn toàn không gây bất kì ảnh hưởng nào đến môi trường), công nghệ hạt nhân và tổng hợp đồng vị phát triển, nguồn nhiên liệu thô - H - để tổng hợp D, T, là vô tận trong vũ trụ, là những điểm vượt trội của loại hình năng lượng này mà không có loại hình năng lượng nào khác có được Một khi công nghệ hóa hữu cơ đã phát triển được vật liệu thích hợp làm bình chứa cho phản ứng,

và công nghệ hạt nhân tìm ra được phương pháp khống chế hiệu quả, thì loại năng lượng sẽ trở thành một nguồn năng lượng không thể thiếu của con người.

Phân rã beta

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Trong vật lý hạt nhân, phân rã beta là một kiểu phân rã phóng xạ mà theo

đó sinh ra một hạt beta (electron hoặc positron) Trong trường hợp sinh ra electron thì người ta gọi là phân rã beta âmhay beta trừ (β ⁻ ), trường hợp còn lại thì gọi là beta cộng (β + ) Khi phát ra hạt electron, một electron antineutrino cũng sinh kèm, trong khi phát ra positron thì đi kèm là electron neutrino.

Mục lục

[ẩn]

1 Phân rã β ⁻

2 Phân rã β +

3 Xem thêm

4 Tham khảo

5 Liên kết ngoài

[sửa]Phân rã β ⁻

Khi phân rã β ⁻ , tương tác yếu chuyển một neutron (n) thành một proton (p) trong khi phát ra một electron (e ⁻ ) và một electron antineutrino (νe):

Ở mức cơ bản (như miêu tã trong biểu đồ Feynman bên dưới), là do sự biến đổi một quark xuống thành quark lên bằng cách phát ra một W ⁻ boson; W ⁻ thường phân rã thành một electron và một electron antineutrino.

Phân rã β ⁻ trong một hạt nhân nguyên tử, phát ra một W ⁻ boson trung gian.

Biểu đồ Feynman đối với phân rã β ⁻ biến 1 neutronthành 1 proton, electron, vàelectron antineutrino qua 1W ⁻ boson trung gian.

Phân rã β ⁻ nhìn chung thường gặp ở những hạt nhân giàu neutron.

[sửa]Phân rã β +

Khi phân rã β + , năng lượng được sử dụng để biến đổi 1 proton thành 1 neutron, đồng thời phát ra 1 positron (e + ) và 1 electron neutrino (νe):

energy + p → n + e + + νe

Vì vậy, khác với phân rã β ⁻ , phân rã β + không thể xuất hiện một cách độc lập do nó cần có năng lượng, khối lượng của neutron nặng hơn khối lượng của proton Phân rã β + chỉ có thể xảy ra bên trong hạt nhân khi mà trị số năng lượng liên kết của các hạt nhân mẹ nhỏ hơn năng lượng liên kết của hạt nhân con Điểm khác biệt giữa các mức năng lượng này tạo ra phản ứng biến đổi 1 proton thành 1 neutron, 1 positron và 1 neutrino, và thành động năng của các hạt này.

Neutrino

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Hạt quark dưới phân rã thành proton, điện tửvà phản neutrino

Tương tác cơ bản tương tác yếu và hấp dẫn Phản hạt phản neutrino (tương tự

như neutrino)

Lý thuyết νe: 1930 bởi Wolfgang

Pauli νμ: cuối thập niên 1940 ντ: giữa thập niên 1970 Thực nghiệm νe: 1956 bởi Clyde

Cowan, Frederick

Reines, F B Harrison,

H W Kruse, và A D

McGuire.

νμ: 1962 bởi Leon Max Lederman, Melvin

Schwartz và Jack Steinberger

ντ: 2000 tại phòng thí nghiệm DONUT

Ký hiệu νe, νμ và ντ; νe, νμ, ντ

Số loại 3 - electron, muon và tau

Khối lượng Rất nhỏ, nhưng không

hoàn toàn bằng không.

x • t • s

Neutrino (phát âm: nơ-tri-nô) là hạt sơ cấp thuộc nhóm các hạt lepton, bền, không mang điện tích, khối lượng nghỉ bằng không hay rất nhỏ (các thí

nghiệm mới đang chứng tỏ neutrino có khối lượng), với moment từ bằng không Giống như những hạt lepton khác, neutrino có spin bán nguyên (cụ thể bằng ½) nên thuộc vào nhóm fermion Do có khối lượng nghỉ rất gần với không, neutrino luôn chuyển động với tốc độ rất gần với tốc độ ánh sáng.

Mục lục

[ẩn]

1 Phân loại

2 Khối lượng và tương tác hấp dẫn

3 Neutrino đối với thiên văn học

4 Ứng dụng

5 Liên kết ngoài

[sửa]Phân loại

Có ba loại neutrino sau:

Neutrino electron νe, xuất hiện cùng lúc với positron trong phân rã beta β dương tính của neutron.

Neutrino muon νμ, xuất hiện trong phân rã pi π của hạt meson.

Neutrino tau ντ

Neutrino / Phản neutrino

Điện tích

Khối lượng (MeV)

Neutrino electron/ Phản neutrino

electron

0 <0,0000025

Neutrino muon / Phản neutrino muon 0 <0,17

Neutrino tau/ Phản neutrino tau 0 <18,2

[sửa]Khối lượng và tương tác hấp dẫn

[sửa]Neutrino đối với thiên văn học

Trong các loại neutrino, chỉ có neutrino điện tử mang giá trị thực tiễn trong thiên văn học do khả năng tương tác rất nhỏ của chúng, nói khác đi là nhờ khả năng xuyên thấu rất lớn của nó Ví dụ: chiều dài quĩ đạo chuyển động tự do của một hạt neutrino, mang năng lượng 1 MeV, trong kim loạichì là 10 18 m, ứng với 100 năm ánh sáng Với khả năng này, neutrino trong vũ trụ dễ dàng xuyên qua các phản ứng hạch nhân trong các sao và mang đi một phần năng lượng đáng kể của sao (thiên văn học neutrino).

Do tính tương tác yếu nên các neutrino rất khó nắm bắt được, và chúng được giả định là một thành phần của vật chất tối trong vũ trụ.

Dấu vết khám phá đầu tiên 13/11/1970

Thiết bị bắt giữ Neutrino

[sửa]Ứng dụng

Chế tạo các kính thiên văn neutrino giúp chúng ta khám phá phần lõi của mặt trời.

[ẩn]

x • t • s

Hạt cơ bản trong vật lý

Hạt sơ cấp

(HSC)

Fermion

Quark lên u · xuống d · duyên c · lạ s · đỉnh t · đáy b

Lepto n

Điện tử e · positron e - + · Muyon μ - · μ + · Tauon τ - · τ + ·

HSC khác Ghost

Hạt sơ cấp

phỏng đoán

(HSCPĐ)

Superpartne r

Gaugin o

Gluino · Gravitino

Khác Axino · Chargino · Higgsino · Neutralino

HSCPĐ khác

Higgs · Majoron · Tachyon · X Y · W' Z' · Sterile neutrino

Hạt tổ hợp

(HTH)

Hadron

Baryon / Hyperon

Nucleon (proton p · neutron n)

Λ · Sigma Σ · Xi Ξ · Cascade B Ξb Omega Ω

Meson / Quarkonia π · ρ · η · η′ · φ · ω · J/ψ · ϒ · θ · K ·

HTH khác Hạt nhân nguyên tử · Nguyên tử · Nguyên tử lạ (Positronium

Hạt tổ hợp

phỏng đoán

(HTHPĐ)

Hadron lạ

Baryon lạ

Dibaryon · Ngũ quark

Meson lạ Glueball · Tứ quark

HTHPĐ khác

Phân tử mesonic · Pomeron

Giả hạt Davydov soliton · Exciton · Magnon · Phonon · Plasmaron · Plasmon · Polariton

Danh sách Hạt cơ bản · Giả hạt · Baryon · Meson · Niên biểu khám phá hạt cơ bản

Wikipedia:Sác

h

Model · en:Book:Leptons · en:Book:Quarks